计算机仿真技术在水电工程施工中的应用

 

1前言计算机仿真也称计算机模拟，是借助高速大存贮量数字计算机及相关技术，对复杂的真实系统的运行过程或状态进行数字化模仿的技木所以也称为数字仿真，计算机仿真技术应用于水电工程施工近30年，*早于70年代初。修建奥地利施立格混凝土坝时采用了确定性数字模拟技术对缆机浇筑混凝土方案进行优选。实践明，模拟的饶筑速度和进程与实际施工情况非常吻和。80年代初。我国首先在滩工程大坝施工组织设计中采用该技术，进行了类似范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计维动态显等；从仿真单的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工截流施工地工程施工等；应用目标从静态的方案优选发展到动态的实时控制等；从*初把仿真成果仅仅作为种不重要的决策参考，逐渐发展成水电工程尤其是大型水电工程规划设计和施工管理中不可缺少的技术手段。如水口水电站大坝施工采用了计算机仿真实时控制技术；峡工程期混凝土大现绕筑已开发了功能强大的计算机仿真系统，可以快速评价承包商提交的施工总进度计划，能够对技术措施进行定量分析，快速比较多种浇筑方案。对混凝土施工进行各种因素的敏感性分析对工程进度进行实时控制，还可对浇筑过程进行维动态显等。另外，峡工程大江截流及期围堰工程施工过程的仿真研宄。基于可视化技术及计算机形像技术多媒体技术等。将大江截流。1期围堰填筑旌工全过程以动态方式生动逼真地展了出来。目前该研究已扩展到对整个峡工程施工全过程的维动态显，除此之外，从结构应力分析的角度出发。大坝施工过程应力场。温度场计算机仿真研宄也悄然兴起。并在些工程的设计阶段得到应用。效果很好，如大连理工大学开发的沙牌高碾压混凝土拱埂施工过程计算机仿真系统。可以预计，将施工过程的应力仿真和施工措施仿真相结合同时辅以维动态显技术的日子即将来临。这必然为计算机仿真技术在水电工程施工中的应用开辟了更广阔的空间。

 

2计算机仿真技术简介计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系会冗机上进行实验和研宄，按照数学模型的分类。水电工程施工过程计算机仿真模型于离散时间模型，即仿真过程中用某时刻的系统状态该系统某时段内的状态，系统状态变化是非连续的。而是在离散时刻发生突变。如此来。只需按时间顺序描述各时间点上的系统状态就算掌握了系统的动态变化过程。为反映离散时间模型的时间轨迹，需要采用仿真钟，仿真钟的推进有两种法1十用步长法和事件步长法。时间步氏法以某固定单位时间为增量，按时间顺序仿真出各时刻的系统状态，*终步步地刻划出整个系统的运行过程；事件步长法则以各个事件发生的时间为，量，同样按时间顺序将各事件过程，*早建立的水电工程施工过程仿真模型多是确定性的，这与水电工程施工过程中充斥着随机和模糊事件的实际情况明显不符。为此，不少科研技术人员引入了随机理论和模糊理论。从而使建立的模型能够更接近真实系统，同时赋予仿真研宄成果更多的意义。如从工期角度评价某施工方案的合理性时，通过计算不仅可以得出该方案*有可能的工期，还可得出按期完工的概率。从而作出方案的风险分析等。

 

此外，按研宄目的不同，模型又分为静态模型和动态模型。这里静态模型的仿真过程并非状态仿真，事实上仍是过程仿真，不过仿真进程必须气呵成，不能中断。主要用于方案的评价和比较。而动态仿真可以任意中断，或将仿真进程按需要分成若干阶段，因此可以在方案实施当中。按照实际达到的进程水平修改施工参，以便求出下阶段施工的*佳调整方案和进度计划。从而达到对大坝施工进行实时控制的目的。

 

3计算机仿真技术在不同施工过程中的应用3.1在混凝土坝浇筑施工中的应用大型水电工程混凝土坝浇筑过程仿真研宄的主要目的是解决两个问是合理配置机械设备妥善安排坝体混凝土注块的浇筑顺序，正确预测浇筑工期；是在施工期间的实时控制。

 

烧筑过程仿真的基本思路是，首先对注块。投入使用的饶筑。运输设备分别进行编号。然后，按照给定的浇筑方案所要求的各种约束条件安排注块的浇筑顺序并算出各注块浇筑施工进程从而算出该方案下的大坝施工工期。重复计算多个方案，得出不同结果。*后经过综合比较，即可选出*优方案。

 

仿真遵循的目标是在满足各种约束条件的前提下，安排设备闲置时间*少。而所谓的约束条件有某注块能否浇筑1起重机工作范围限制；相邻起重机工作干扰限制；气温条件对浇筑的影响；其他约束条件。如灌浆等。

 

欠坝浇筑系统本质上可以看作是个由起重机为主导的饶筑吊运系统按特定规则分别为各个注块服务的种特殊的排队服务系统，系统中不仅要考虑由起重机组成的服务系统中存在的排队现象还要考虑与之联系并相互制约与影响的拌和供料。运输系统之间的配合与相互影响等随机因素引起部考虑为个完整系统，用蒙特卡罗方法对之进行仿真。

 

3.2在土石坝施工中的应用1石现施工组织设计中需重点解决个问，1土石料场规划与调度；运输道路规划及运输机械的组织和管理；土石坝填筑过程中各作业环节之间的组织协调及施工进度计划的制定与实施。针对上述大问可分别建立土石优化调运仿真模型施工运输仿真模型和土石坝填筑过程仿真模型，再按照者的制约关系集成个完整的土石坝施工仿真系统。

 

建立土石优化调运模型的思路是根据内。外影响因素将大现施工工期划分为若干时段。在每个时段内确定供料源和受料源。先根据施工组织设计初步方案建立各时段土石线性规划模型。然后对施工期各时段内的料场综合编号，再结合施中的实际要求，*终形成总的土石优化调运数学模型。其目标为总调运费用*省而约束条件有①*大可供应量②*大可接受量③堆料场进出料量平衡等。

 

石坝施工运输系统也属于随机排队服务系统。对这类条统言。0说排队的模型山这，种在美国出现的专门研究排队系统的计算机仿真模型。利用运输系统排队仿真网络模型可以解决的问有①计算不同运输机械配套情况下，多种机械的利用率或忙期概率。通过综合评价确定*佳机械配套及其相应的运输生产能力②运输过程中。道路上的行车密度及相应的概率分布规律。据此可决策多种道路的建设标准③交叉错车情况及排队等待情况等。

 

建立土石坝填筑坝面作业子系统仿真模型的思路是。把个土石坝的施工过程离散成若干层，每层的填筑看成项活动，每个区看作个实体，而填铺过程看作对实体进行服务，从而将土石坝的填筑施工过程抽象为个离散事件动态系统。同样可以建立排队网络模型或循环网络模型，仿真过程实际上就是确定每填筑层的开始填筑时间和填筑完成时间。通过仿真，可以解决以下问0降雨等环境因素对土石坝施工进度的综合影响程度②在不同的运输机械配套及料场调运方案情况下，大坝的上升过程，坝面作业机械的配套及其利用情况④不同上升规划制约下的大坝填筑过程及进度。

 

根据上述研宄成果，经过综合比较，可以选择出以总费用*低为原则的*优施工方案并制定总进度计划。

 

3.3在隧洞施工中的应用隧洞施工过程是个由钻孔爆破出渣等多种工序反复循环的过程。由于每道工序的作业时间多是随机的，每个工作循环都可以产生随机排队现象。甩可能在某个傥环作业出现拥塞现象而影响其他的作业。对于这类工程的施工，若采用般网络模型肘孤来达整个工程的循环施工过程是极其复杂的。同时难以反映施工过程中某些随机时间因素及其影响。针对这问。70年代美国出现了循环运。行网络述0押131如1士技术，是解决此类问的*佳选择。该技术通过模拟工程对象的循环过程和随机时间。可算出不同资源水平和施工组织情况下循环过程的工期和成本。并找出拥塞点，通过灵敏度分析可以得到合理的机械配套组合及理想的工期成本*优方案，建立隧洞施工循环运行网络模型的基本思路是首先明确施工过程中有哪些活动以及各活动之间的逻辑关系。活动需哪些初始资源及其数目；然后由模型的组成部分按照节点间的逻辑关系建立起循环运行网络模型。

 

利用该模型进行隧洞施工过程仿真可得出施工工期机械设备生产率资源闲置等待时间资源利用率施工费用以及找出拥塞点等。从而为决策提供所需的多种信息，3.4在截流施工中的应用截流是施工总进度计划的控制性工期。向倍受重视。

 

与传统方法相比。借助计算机仿真方法可以更方便更细致定量程度更高地研宄截流中存在的问，以更高的效率比较更多的截流施工方案。更有效地指挥现场施工。从而降低施工成本和风险。提尚截流的成功率。

 

截流方法中*常用的是平堵和立堵两种方法。这两种方法，尤其是立堵法的施工过程计算机仿真在料场规划与调度交通运输组织方面与土石坝施工十分类似。与土石坝施工不同的是戗堤填筑，以立堵法为例，其工程量更加集中。施工强度更大。对施工组织的要求更加严格，而且，戗堤填筑基本上是水下施工。截流过程中的填筑方量和抛投材料的粒径受流速变化的制约，方面填筑方量受截流流量影响，另方面，需随着龙口宽度变化进行所谓流速分区，因此。截流施工的计算机仿真较多地依赖于截流水力计算与河道水文地形。±也吣条件。除此外。可，空土，坝圯筑施1过程的仂以认。

 

4结语计算机仿真技术在水电工程施工中得到了比较成功的应用，收到了较好的经济效益，并逐渐流行为种趋势。目前，该技术在设计阶段的方案优选方面应用效果较为理想。但在施工期间的实时控制方面。应用效果则不尽如人意。宄其原因。瓶颈主要是现场实时数据的收集整理应用存在较大发挥这方面的功能。但我们有理由相信。随着计算机技术的不断发展，系统工程理论的不断完善。以及信息技术的推广应用。此项潜力巨大的技术必将为水电工程建设的规划。设计施工带来革命忡的进步。